PRODUCCIÓN DE ALCOHOL A PARTIR DE LA PULPA

PRODUCCIÓN DE ALCOHOL A PARTIR DE
LA PULPA DE CAFÉ
Nelson Rodríguez Valencia*
RODRÍGUEZ V., N. Producción de alcohol a partir de la pulpa de café. Revista Cenicafé 64 (2): 78-93. 2013
Para evaluar el aprovechamiento de la pulpa del café Variedad Castillo® en la producción de alcohol, se evaluaron 25
tratamientos, en un diseño completamente aleatorio en arreglo factorial 5x5, con cinco tipos de hidrólisis (natural, ácida,
alcalina, enzimática con celulasas y enzimática con celulasas y pectinasas) y cinco inóculos de levadura Saccharomyces
cerivisiae (natural, dos levaduras prensadas comerciales y dos levaduras secas comerciales). Se utilizó pulpa proveniente del
despulpado sin agua, con menos de 1 h de obtención, la hidrólisis ácida se realizó con ácido sulfúrico concentrado, la hidrólisis
alcalina con hidróxido de sodio al 32%, la hidrólisis enzimática con celulasas y pectinasas comerciales. Se evaluó el pH,
porcentaje de humedad y °Brix, en la pulpa y en las muestras finales de alcohol rectificado y deshidratado se determinaron
los contenidos de alcohol y congéneres. El análisis de varianza mostró efecto de la interacción hidrólisis-inóculo en los
rendimientos de alcohol y en el pH, °Brix y gravedad específica. La prueba de constrate al 5% mostró que los tratamientos
con mayor rendimiento en la producción de alcohol fueron aquellos que involucraron la hidrólisis enzimática con celulasas
(22,12 mL.kg-1 de pulpa fresca), seguida de la hidrólisis enzimática con celulasas-pectinasas (20,96 mL.kg-1 de pulpa fresca)
y los tratamientos sin hidrólisis con levaduras comerciales (18,30 mL.kg-1 de pulpa fresca). Los mayores contenidos de etanol
se alcanzaron en los tratamientos: con hidrólisis enzimática con celulasas (97,78%), sin hidrólisis (96,92%), con hidrólisis
enzimática utilizando celulasas y pectinasas (95,76%), con hidrólisis alcalina (95,59%) y con hidrólisis ácida (93,97%).
Palabras clave: Biocombustibles, alcohol carburante, subproductos del café, fermentación alcohólica.
ALCOHOL PRODUCTION FROM COFFE PULP
In order to evaluate the use of coffee pulp from the variety Castillo® in ethanol production, we evaluated 25 treatments in
a completely randomized factorial arrangement 5 x 5, involving 5 types of hydrolysis (natural, acidic, alkaline, enzymatic
with cellulases and pectinases) and 5 of the yeast inocula Saccharomyces cerivisiae (natural, two commercial yeast and
two yeast commercial dry). The pulp of coffee, no water from the pulping of the fruit, was used less than 1 hour generated,
acid hydrolysis was performed with concentrated sulfuric acid, alkaline hydrolysis with sodium hydroxide sodium to 32%,
enzymatic hydrolysis was performed by adding commercial cellulases and pectinases. A pulp samples were evaluated pH,
% humidity and °Brix and the final samples rectified and dehydrated alcohol were evalueted alcohol content and the main
congeners. Analysis of variance showed the interaction effect of hydrolysis-seed yields of alcohol and the pH, °Brix and
Specific Gravity. Constrate test showed 5% higher performance treatments in the production of alcohol and among which
there were no statistical differences were those that involved the enzymatic hydrolysis with cellulases (22,12 mL.kg-1 of
fresh pulp), followed by enzymatic hydrolysis with cellulases-pectinases (20,96 mL.kg-1 of fresh pulp) and treatments
without hydrolysis (18,30 mL.kg-1 of fresh pulp). The highest mean levels of ethanol were achieved for treatments with
cellulase enzymatic hydrolysis (97,78%), followed by treatment without hydrolysis (96,92%) of treatment with enzymatic
hydrolysis using cellulases and pectinases (95,76%), treatment with alkaline hydrolysis (95,59%) and treatment with acid
hydrolysis (93,97%).
Keywords: Biofuels, fuel alcohol, coffee pulp, coffee byproducts, alcoholic fermentation.
*
78
Investigador Científico III. Disciplina Gestión de Recursos Naturales y Conservación. Centro Nacional de Investigaciones
de Café, Cenicafé. Manizales, Caldas, Colombia.
Cenicafé, 64(2):78-93. 2013
El fruto de café está compuesto por la
pulpa, el mucílago y la semilla. La pulpa
está formada por el exocarpio (epidermis) y
parte del mesocarpio (mucílago); el color de
la epidermis varía de verde a rojo o amarillo,
dependiendo de la variedad de café y del
grado de maduración del fruto (25). La pulpa
es el primer producto que se obtiene en la
etapa de beneficio del fruto y representa,
en base húmeda, alrededor del 43,58% del
peso del fruto fresco (25).
La pulpa de café tiene un contenido
de humedad entre el 76% y el 80%. Está
constituida por materia orgánica (entre el
88% y el 89% en base seca) y cenizas
(entre el 11% y el 12% en base seca) (9,
34). Además, el contenido de otras sustancias
en base seca es de 1,10% - 1,30% de
nitrógeno, 29,50% de celulosa, 4,60% de
hemicelulosa, 16,90% de lignina, 0,75% de
cafeína y 3,70% de taninos (9). Rodríguez
(31), reporta contenidos medios, en base
seca, de 17,31% para azúcares reductores
y de 18,49% para azúcares totales, con un
valor medio de 3,59°Brix. De la pulpa de
café fresca se han aislado levaduras de los
géneros Candida sp., Rhodotorula sp. y
Toruplosis sp. (6).
En Colombia, el promedio de la producción
de pulpa de café es de 2,25 t.ha-año-1 (29).
Por cada millón de sacos de 60 kg de
café almendra que Colombia exporta, se
generan 162.900 t de pulpa fresca, que si
no se utilizan adecuadamente producirían
una contaminación en excretas y orina,
equivalente a la generada por una población
de 868.736 habitantes, durante un año.
Los programas de renovación de cafetales
establecidos por la Federación Nacional
de Cafeteros propenden por estabilizar la
producción en las próximas décadas, en 18
millones de sacos de café almendra, valores
con los cuales la producción de pulpa de
café tendría un incremento cercano al 50%.
En este sentido, si no se buscan alternativas
atractivas para el uso de este subproducto
puede generarse un gran impacto ambiental,
sobre todo cuando ésta se dispone en
cielo abierto hasta su descomposición total
(produciendo gases y lixiviados).
A través del tiempo se han realizado
diferentes investigaciones sobre la composición
química y microbiológica de la pulpa de café,
con el fin de obtener productos de valor
agregado, tales como: levaduras alimenticias
(15), alcohol (14), colorantes (13), biogás (10),
abono orgánico (17, 24), pectinas (12, 31),
miel de café (38), alimentos para animales
(7, 9), baterías eléctricas (9, 11), materiales
de construcción (9), productos químicos (9),
hongos comestibles y medicinales (32, 33,
34) y ensilaje, como método de conservación
para su posterior uso en la elaboración de
otros productos (30).
De igual manera, la pulpa de café seca se
ha utilizado como combustible directo. Porres
et al. (27), reportan un poder calorífico de
15,88 MJ.kg-1 de pulpa seca, con un consumo
en el secado mecánico de la misma de 36,92
MJ.kg-1, para un balance energético negativo
en el proceso, debido a que por cada unidad
de energía aplicada en el secado de la pulpa
sólo se generaron 0,43 unidades de energía
en la combustión del producto seco.
La producción de biocombustibles como
bioetanol, biobutanol y biogás, a partir de
la pulpa de café, es una alternativa que
se está investigando, sobre todo por ser
biocombustibles de segunda generación, los
cuales se constituyen en fuentes de energía
renovable, que permiten diversificar la matriz
energética del país, y que a la vez reducen
la emisión de gases de efecto invernadero,
siendo amigables con el medio ambiente, sin
alterar la productividad cafetera, ayudando a
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contrarrestar la crisis alimentaria, ya que no
se hace uso de productos destinados para la
alimentación humana.
Para la producción de biogás a partir de
la pulpa de café fresca, Arcila (4) reporta
rendimientos de 25 L de biogás por 1,0
kg de pulpa alimentada a los digestores,
equivalente a un poder calorífico de 0,54
MJ.kg-1 de pulpa fresca.
Calle (9) reporta que en la fermentación de
la pulpa y del mucílago de café predomina la
formación de alcohol etílico, por lo que para
una producción cafetera rentable recomienda
obtener los materiales fermentables de la pulpa
y el mucílago sin la utilización de agua,
con el fin de contrarrestar la fermentación
acética y asegurar el desarrollo óptimo
de las levaduras. Así mismo, estudió las
condiciones para la obtención de alcohol
a partir de la pulpa y el mucílago de
café, encontrando que de los subproductos
generados en el beneficio de 100 kg de café
cereza, en promedio pueden obtenerse 1,2
L de alcohol etílico de 85°, equivalente a
un rendimiento de 14 L de alcohol anhidro
por tonelada de residuos.
Cabrera et al. (8), reportan la obtención
de 2,0 a 2,5 g de etanol en 48 h, cuando la
fermentación se realiza a 28°C, a partir de
200 g de frutos de café. Igualmente, reportan
mejorías en los rendimientos del proceso
en un 20%, en 48 h, cuando realizaron un
pretratamiento con una bacteria pectinolítica
como Erwinia herbicola en asocio con la
levadura Saccharomyces cerevisae.
Rodríguez (29) reporta rendimientos de
alcohol equivalentes a 12,31 mL de etanol
por 1,0 kg de pulpa fresca: A partir de los
jugos provenientes del prensado de la pulpa
de café fresca, reporta rendimientos de 47,95
mL.L-1 de jugo del primer prensado (contenido
80
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de etanol de 98,43%) y de 22,62 mL.L -1
de jugo del segundo prensado (contenido
de etanol de 96,60%), realizado a las 24
horas sobre el residuo del primer prensado.
Rodríguez y Zambrano (35), en estudios
de fermentación alcohólica, utilizando varias
cepas de levaduras, en promedio registraron
rendimientos de 25,17 mL de etanol por 1,0
kg de pulpa fresca.
El propósito de la investigación fue
determinar los rendimientos de producción de
etanol a partir de la pulpa de café proveniente
del proceso de beneficio del fruto de café
Variedad Castillo®, evaluando diferentes tipos
de hidrólisis y diferentes inóculos comerciales
de la levadura Saccharomyces cerevisiae,
con el fin de determinar su potencial para
la producción de bioetanol de segunda
generación, de forma que se contribuya a
diversificar la matriz energética nacional.
MATERIALES Y MÉTODOS
La investigación se desarrolló durante el primer
semestre del año 2010, en el laboratorio de
Biodigestión, ubicado en el sector de La
Granja de Cenicafé, a una altitud de 1.310
m (21).
Materiales
Pulpa de café. El material se obtuvo del
beneficio de 150 kg de café cereza Variedad
Castillo® Naranjal, sin seleccionar, en un equipo
Becolsub 300, dotado de un desmucilaginador
mecánico operado con un caudal de agua de
550 mL.min-1.
Microorganismos. Se evaluaron cuatro cepas
comerciales de Saccharomyces cerivisiae
(Prensada 1-P1, Prensada 2-P2, Seca 1-S1 y
seca 2-S2), una enzima comercial celulolíticaEC y una enzima comercial pectinolítica-EP.
Tratamientos. Se evaluaron 25 tratamientos
así: Cinco tipos de hidrólisis (natural, ácida,
alcalina, enzimática con celulasas, enzimática
con celulasas y pectinasas) y cinco tipos
de inóculo (natural, levadura prensada 1,
levadura prensada 2, levadura seca 1 y
levadura seca 2).
Unidad experimental. Estuvo conformada
por una muestra de pulpa de 0,5 kg. Cada
tratamiento estuvo constituido por seis unidades
experimentales. Las unidades experimentales
se asignaron a los tratamientos de acuerdo
con el diseño experimental completamente
aleatorio, en arreglo factorial 5 x 5.
Condiciones de proceso
• Se utilizó pulpa fresca, con menos de 1
h de generada.
• Se utilizó una relación de 1,5 L de agua
por 1,0 kg de pulpa fresca.
• La hidrólisis ácida se realizó con ácido
sulfúrico concentrado (8,7 mL/0,5 kg de
pulpa) y se adicionó Na2SO3 (11,25 g/0,5
kg de pulpa) (31). Luego, el material
se sometió a un proceso de autoclave a
121°C durante 20 min. (39).
• La hidrólisis alcalina se realizó con
hidróxido de sodio al 32% (10 mL/0,5
kg de pulpa) y se adicionó Na2SO3 (11,25
g/0,5 kg de pulpa) (31). Posteriormente,
el material se sometió a un proceso de
autoclave a 121°C durante 20 min. (39).
• La hidrólisis enzimática se realizó
adicionando 0,5 mL de enzimas celulasas/0,5
kg de pulpa, con un pH en el rango entre
4,5 y 5,5 y se sometió durante 60 min. a
una temperatura de 60°C, luego se dejó a
temperatura ambiente durante 8 h. Cuando
se utilizaron pectinasas se adicionaron
0,1 mL de enzimas/0,5 kg de pulpa y
se sometió al mismo tratamiento térmico.
• Una vez terminada la etapa de hidrólisis,
el pH del mosto obtenido se adecuó a
un valor de 5,0 ± 0,5 (18), utilizando
ácido sulfúrico o hidróxido de sodio, y
se adicionaron las cepas de levadura en
una proporción de 2,5% p/v, para las
levaduras prensadas (37) y del 1% p/v
para la levadura seca (recomendación de
la casa fabricante), a una temperatura de
incubación de 30°C (18).
• En el proceso de destilación se adicionó aceite
vegetal al 0,1% v/v como antiespumante.
• Las unidades experimentales se agitaron
manualmente, seis veces al día (37).
• El tiempo de fermentación alcohólica se
fijó en 15 h (37).
Beneficio. Se utilizaron tandas de 150 kg
de café cereza Variedad Castillo Naranjal®
sin seleccionar, proveniente de la Estación
Central Naranjal. Una vez se recibió el café
cereza se inició el proceso de beneficio, el
cual incluyó el despulpado sin agua (1).
Fermentación alcohólica. Se pesaron muestras
de 500 g de pulpa, las cuales se depositaron
en bolsas de polipropileno autoclavables y
se adicionaron 650 mL de agua de grifo. A
la mezcla pulpa-agua se le determinaron las
siguientes variables (28): °Brix, Gravedad
Específica (GE) y pH; además, se realizó
la hidrólisis en aquellos tratamientos que
lo requerían y se ajustó al pH cuando se
requirió (Figura 1).
La aclimatación de la levadura a la temperatura
de fermentación se realizó en 100 mL de
agua de grifo. Posteriormente, se adicionó
el inóculo a las bolsas con la mezcla pulpa-
Cenicafé, 64(2):78-93. 2013
81
agua y se homogeneizó con la ayuda de un
agitador manual; luego, se taparon las bolsas
y se fermentaron las muestras durante 15 h
(Figura 2).
Destilación simple. Al final del proceso de
fermentación, la pulpa se prensó a un valor
de 25 kN (Figura 3), se midió el volumen
de prensado y a éste se le realizaron análisis
de pH, Gravedad Específica y °Brix (28),
posteriormente el prensado se llevó a un
proceso de destilación simple. Así mismo, al
destilado se le determinó el grado alcohólico,
con un hidrómetro, el cual proporcionó el
valor del contenido de alcohol en % v/v,
de acuerdo con el método 957.03 de la
AOAC (2).
Con el volumen del destilado y los grados
alcohólicos se determinó la cantidad de alcohol
obtenido en el proceso de fermentación por cada
kilogramo de pulpa fresca antes de fermentar.
Figura 1. Ajuste de pH luego de la hidrólisis.
Figura 3. Prensado de la pulpa después de la
fermentación.
Rectificación del alcohol. Las muestras
provenientes de la destilación simple se unieron
por tratamiento y se llevaron a procesos
de rectificación, utilizando inicialmente una
columna vigreux de 40 mm de diámetro y 50
cm de longitud, y posteriormente se utilizó
una columna empacada con anillos Rashing.
Figura 2. Incubación de las muestras.
82
Cenicafé, 64(2):78-93. 2013
Deshidratación del alcohol. Los destilados
de la rectificación se pasaron por tamices
moleculares, con un tamaño de 4A° para
obtener el alcohol deshidratado.
Determinación del contenido de etanol. Para
la determinación del contenido de etanol en
las muestras rectificadas y deshidratadas por
densidad se utilizó el método del picnómetro
(2). Con los valores de densidad y las tablas
donde se relaciona la densidad de soluciones
de etanol saturado de aire y agua según la
temperatura (16), basadas en Spieweck y
Bettin (36), se determinó el contenido de
etanol en % p/p.
Para la determinación por cromatografía del
contenido de etanol se utilizó un cromatógrafo
de gases, Hewlett Packard 6890, equipado con
detector de ionización de llama (FID) y una
columna capilar AT1701 (30 m longitud, 1,0
µm espesor, 530 µm ID con fase estacionaria
de 5% fenil-metil- siloxano).
Para la determinación del contenido
de congéneres en las muestras destiladas
y deshidratadas de alcohol se utilizó un
cromatógrafo de gases con detección de
espectrometría de masas, Shimadzu QP2010
plus, y una columna capilar SHRX1-5MS
(30 m longitud, 0,25 µm espesor, 0,25 mm
ID con fase estacionaria de 5% fenil-metilsiloxano).
Vinazas. Para la caracterización de las
vinazas obtenidas en el proceso de destilación
se realizaron análisis de pH (método
potenciométrico, empleando como sensor
un electrodo combinado Ref. InLab 413SG);
sólidos totales (método gravimétrico) (3) y
demanda química de oxígeno (método de
reflujo cerrado, método colorimétrico) (23).
Análisis estadístico. La variable respuesta fue
la producción de alcohol y como variables
complementarias se determinaron el pH, la
gravedad específica y los grados brix. Para
1
cada tratamiento se estimó el promedio y la
desviación estándar. Se aplicó un análisis de
varianza al 5%, con la variable de respuesta,
bajo el diseño experimental propuesto y se
seleccionó la mejor combinación hidrólisis
x fermentación, de acuerdo con una prueba
de contraste al 5%.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Condiciones climáticas. Durante el período
en el cual se realizó la experimentación, las
condiciones climáticas fueron: 21,5°C de
temperatura promedio, 79,7% de humedad
relativa, 3.156,4 mm de precipitación y 1.435
horas de brillo solar.1
Beneficio del fruto de café. El promedio
del peso obtenido en 10 tandas de café
cereza beneficiado (1.500 kg), para la pulpa
proveniente del despulpado sin agua, fue del
43,00% del peso del fruto fresco (CV=2,45%),
con un promedio de 2,90 °Brix de la mezcla
pulpa-agua (CV=9,34%), 1,01 de gravedad
específica en promedio (CV= 0,10%) y un
valor promedio de pH de 4,60 (CV =3,61).
Montilla (25) reporta un valor de pulpa
fresca del 43,58%, con respecto al peso del
fruto de café.
Proceso de destilación. En la Tabla 1 se
presentan los valores promedio de alcohol
obtenido en la destilación simple de los
prensados de la mezcla pulpa-agua, fermentada,
para cada uno de los tratamientos evaluados.
Los valores fueron calculados a partir de
la determinación del grado alcohólico del
destilado.
El análisis de varianza mostró efecto
de la interacción hidrólisis-inóculo en los
rendimientos de alcohol (variable respuesta), así
JARAMILLO, R., A. Resultados de las variables climáticas durante el 2010 en Cenicafé-Sede La Granja. Septiembre 19
del 2011.
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Tabla 1. Promedio del alcohol obtenido por cada 500 g de pulpa de café fermentada.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
Tratamiento
Fermentación natural
Levadura prensada 1
Levadura prensada 2
Levadura seca 1
Levadura seca 2
Hidrólisis ácida + Fermentación natural
Hidrólisis ácida + Levadura prensada 1
Hidrólisis ácida + Levadura prensada 2
Hidrólisis ácida + Levadura seca 1
Hidrólisis ácida + Levadura seca 2
Hidrólisis alcalina+ Fermentación natural
Hidrólisis alcalina + Levadura prensada 1
Hidrólisis alcalina + Levadura prensada 2
Hidrólisis alcalina + Levadura seca 1
Hidrólisis alcalina + Levadura seca 2
Hidrólisis enzimática 1+ Fermentación natural
Hidrólisis enzimática 1+ Levadura prensada 1
Hidrólisis enzimática 1+ Levadura prensada 2
Hidrólisis enzimática 1+ Levadura seca 1
Hidrólisis enzimática 1+ Levadura seca 2
Hidrólisis enzimática 2+ Fermentación natural
Hidrólisis enzimática 2+ Levadura prensada 1
Hidrólisis enzimática 2+ Levadura prensada 2
Hidrólisis enzimática 2+ Levadura seca 1
Hidrólisis enzimática 2+ Levadura seca 2
Promedio* (mL de alcohol)
1,84 EFGH
8,69 ABCD
9,66 ABCD
9,23 ABCD
9,04 ABCD
0,60 H
1,44 FGH
2,25 EFGH
2,87 EFGH
5,63 CDEFG
0,78 GH
5,90 BCDEF
6,04 BCDEF
6,76 ABCDE
5,11 DEFGH
1,50 FGH
10,32 ABC
11,48 A
11,62 A
10,83 AB
1,27 FGH
11,59 A
9,81 ABCD
8,99 ABCD
11,52 A
D.E.
0,26408
1,12956
0,54092
1,02455
1,59848
0,06577
0,54816
1,11614
0,79046
1,58296
0,09887
0,75096
0,55897
0,67450
0,82563
0,29541
1,05207
0,59078
0,89875
0,68888
0,18354
0,49548
1,87421
1,59038
0,78372
(*) Valor promedio de seis réplicas. Promedios con la misma letra no presentaron diferencias significativas. D.E: Desviación
Estándar.
como en el pH, °Brix (Tabla 2) y la gravedad
específica (variables complementarias).
La prueba de constrate al 5% mostró que
los tratamientos con mayor rendimiento en
la producción de alcohol y entre los cuales
no se presentaron diferencias estadísticas,
fueron los que involucraron la hidrólisis
enzimática con celulasas (Hidrólisis enzimática
1) y levaduras comerciales, con un valor
promedio de 22,12 mL.kg-1 de pulpa fresca,
seguido de la hidrólisis enzimática con
celulasas-pectinasas (Hidrólisis enzimática 2)
y levaduras comerciales, con un promedio
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Cenicafé, 64(2):78-93. 2013
de 20,96 mL.kg -1 de pulpa fresca, y los
tratamientos sin hidrólisis y levaduras
comerciales con un valor de 18,30 mL.kg-1
de pulpa fresca.
Los tratamientos que se sometieron a
procesos en autoclave a 121°C, como la
hidrólisis ácida y alcalina, alcanzaron valores
promedio de 6,09 mL.kg-1 y 11,91 mL.kg-1
de pulpa fresca, respectivamente, cuando se
inocularon con levaduras comerciales. Estos
tratamientos fueron estadísticamente diferentes
de aquellos sometidos a hidrólisis enzimática
y de los tratamientos sin hidrólisis.
Con respecto al valor de pH, al final del
proceso de fermentación sólo los tratamientos
con hidrólisis alcalina presentaron valores
por encima de 5,0, y fueron estadísticamente
diferentes de los demás tratamientos. Los
tratamientos enzimáticos con los que se
alcanzaron los mayores rendimientos de
alcohol mostraron valores de pH entre
4,39 y 4,44.
El pH óptimo para las levaduras se
encuentra en un rango entre 4,5 y 5,5 (26).
Estudios reportan que el pH más favorable
para el crecimiento de Saccharomyces
cerevisiae se encuentra en el rango entre
4,4 y 5,0, con un pH de 4,5 para su
crecimiento óptimo, pero no se desarrolla
bien en medio alcalino, a menos que se
haya adaptado previamente al mismo (20).
El pH del medio tiene una gran influencia
en los productos finales obtenidos en
el proceso de fermentación anaerobia y
tiende a disminuir debido a la producción
de ácidos.
Tabla 2. Valores de las variables complementarias.
Tratamiento
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
Fermentación natural
Levadura prensada 1
Levadura prensada 2
Levadura seca 1
Levadura seca 2
Hidrólisis ácida + Fermentación natural
Hidrólisis ácida + Levadura prensada 1
Hidrólisis ácida + Levadura prensada 2
Hidrólisis ácida + Levadura seca 1
Hidrólisis ácida + Levadura seca 2
Hidrólisis alcalina+ Fermentación natural
Hidrólisis alcalina + Levadura prensada 1
Hidrólisis alcalina + Levadura prensada 2
Hidrólisis alcalina + Levadura seca 1
Hidrólisis alcalina + Levadura seca 2
Hidrólisis enzimática 1+ Fermentación natural
Hidrólisis enzimática 1+ Levadura prensada 1
Hidrólisis enzimática 1+ Levadura prensada 2
Hidrólisis enzimática 1+ Levadura seca 1
Hidrólisis enzimática 1+ Levadura seca 2
Hidrólisis enzimática 2+ Fermentación natural
Hidrólisis enzimática 2+ Levadura prensada 1
Hidrólisis enzimática 2+ Levadura prensada 2
Hidrólisis enzimática 2+ Levadura seca 1
Hidrólisis enzimática 2+ Levadura seca 2
pH
Promedio*
4,12 BC
4,32 B
4,30 B
4,29 B
4,37 B
3,90 C
4,16 BC
4,21 BC
4,16 BC
4,21 BC
4,17 BC
5,41 A
5,27 A
5,29 A
5,32 A
4,17 BC
4,44 B
4,41 B
4,39 B
4,41 B
4,14 BC
4,40 B
4,39 B
4,41 B
4,40 B
D.E.
0,05924
0,03180
0,06112
0,06157
0,02301
0,03756
0,12489
0,14813
0,09562
0,13539
0,06752
0,07178
0,07265
0,04695
0,05076
0,06956
0,02548
0,03870
0,03180
0,02704
0,04549
0,03810
0,02236
0,02319
0,02608
°Brix
Promedio*
D.E.
3,78 C
0,12494
2,35 D
0,06191
2,28 D
0,04773
2,35 D
0,08851
2,42 D
0,06540
3,70 C
0,16125
8,42 A
0,16003
7,90 A
0,16330
7,62 A
0,47499
7,95 A
0,21564
4,28 C
0,27618
6,22 B
0,24687
6,30 B
0,32660
6,25 B
0,21409
5,77 B
0,35746
3,83 C
0,15635
2,50 D
0,07746
2,65 D
0,11475
2,60 D
0,08165
2,67 D
0,06667
4,02 C
0,13017
2,48 D
0,12494
2,52 D
0,12494
2,40 D
0,17321
2,52 D
0,07923
(*) Valor promedio de seis réplicas. Promedios con la misma letra no presentaron diferencias significativas. D.E: Desviación
Estándar.
Cenicafé, 64(2):78-93. 2013
85
Hubo diferencias estadísticas en la variable
°Brix entre los tratamientos sometidos a
hidrólisis ácida y alcalina, siendo diferentes
entre sí, y de los tratamientos sin hidrólisis
y con hidrólisis enzimática, sin diferencias
estadísticas entre estos últimos tipos de
hidrólisis, a un nivel de significancia
del 5% (Tabla 2). Los °Brix miden el
contenido de sólidos solubles presentes en
el jugo fermentado de pulpa, en el cual
se encuentran azúcares, ácidos, sales y
demás compuestos solubles en agua. En
este estudio se observó que los tratamientos
con mayores contenidos de °Brix en el
jugo fermentado fueron los que mostraron
menores rendimientos de alcohol y menores
valores de pH, siendo los ácidos generados
durante el proceso fermentativo los que
incrementaron los contenidos de sólidos
solubles en el fermentado.
Los rendimientos de alcohol de los
tratamientos con hidrólisis alcalina y ácida
e inoculación con levaduras comerciales
representaron el 65,08% y el 33,28% de
los valores alcanzados en los tratamientos
sin hidrólisis inoculados con levaduras
comerciales, lo cual se explica porque la
fructosa representa cerca del 50% de los
azúcares reductores presentes en la pulpa de
café y sufre reacciones de caramelización por
encima de los 110°C, que generan productos
diferentes a los alcoholes.
Los menores valores de alcohol obtenidos
en los tratamientos sometidos a temperaturas
de 121°C se debieron a la caramelización,
que a esta temperatura se presenta para
algunos azúcares.
En todos los tipos de hidrólisis evaluados
no hubo diferencias estadísticas en los
rendimientos de alcohol obtenidos con las
diferentes levaduras comerciales, pero los
rendimientos de alcohol sí fueron diferentes
estadísticamente de los tratamientos que sólo
contenían los microorganismos naturales de la
pulpa de café, excepto para los tratamientos
sometidos a hidrólisis ácida y alcalina.
Zuluaga (40) reporta un valor de azúcares
libres en pulpa de café del 22,65% en peso
seco, de los cuales la D-Fructosa en sus 2
anómeros (α y β) representa el 43,8% del total
de azúcares libres, seguida de la D-Glucosa
en sus 2 anómeros (α: 15,1% y β: 15,1%),
la sacarosa (14,1%), la D-Galactosa (10,1%)
y el inotisol (1,2%).
La temperatura de caramelización para la
D-Fructosa es de 110°C, para la D-Glucosa,
D-Galactosa y sacarosa de 160°C. La
caramelización o pirólisis de los azúcares
se presenta cuando éstos se calientan por
encima de su punto de fusión, dando lugar
a la aparición de reacciones de enolización,
deshidratación y fragmentación, que provocan
la formación de derivados furánicos (22).
86
Cenicafé, 64(2):78-93. 2013
En promedio, los rendimientos de alcohol
para los tratamientos con hidrólisis enzimática
y adición de levaduras comerciales fueron de
21,54 mL.kg-1 de pulpa fresca, superiores en
un 17,64% a los valores encontrados para
los tratamientos sin hidrólisis y adición de
levaduras comerciales.
Para los tratamientos con fermentación
natural no se presentaron diferencias
estadísticas en los rendimientos de alcohol
entre los diferentes tipos de hidrólisis. Lo
anterior se explica por la cantidad y diversidad
de levaduras nativas presentes en la pulpa
de café, del orden de 3 x 10 8 UFC/g (5),
que representaron una tasa de inoculación
cercana a 2,5 mg de levaduras naturales
por gramo de pulpa fresca, entre las que se
encuentran levaduras como Saccharomyces sp.,
Torulopsis sp., Rhodotorula sp. y Candida sp.,
con una tasa de inoculación equivalente a la
décima parte de la utilizada con levaduras
comerciales prensadas (25 mg de levadura
S. cerivisiae/g de pulpa fresca).
Rodríguez (29) evaluó la producción
de etanol a partir de la fermentación
alcohólica de los jugos provenientes del
prensado de la pulpa de café fresca y de la
fermentación de la mezcla pulpa fresca-agua
en relación 1:1, sin hidrólisis, utilizando
tres levaduras comerciales, con promedios
de los rendimientos de alcohol, medido
por hidrometría, de 47,95 mL.L-1 de jugo
del primer prensado (contenido de etanol
de 98,43%) y de 22,62 mL.L-1 de jugo del
segundo prensado (contenido de etanol de
96,60%), equivalentes a un rendimiento de
etanol de 12,31 mL.kg-1 de pulpa fresca.
Así mismo, reporta rendimientos de alcohol
de 25,73 mL.kg -1 de pulpa fresca, con
fermentación de la mezcla pulpa fresca-agua
en relación 1:1 y levaduras comerciales.
Con respecto a los menores rendimientos
de alcohol registrados en este estudio, 18,30
mL.kg-1 de pulpa fresca, para los tratamientos
sin hidrólisis, equivalentes al 71% de los
encontrados por Rodríguez (29), pudieron
estar influenciados por la época de cosecha,
debido a que en el 2007 la pulpa utilizada
para la experimentación provenía del café
de la cosecha principal (segundo semestre
del año) y para este estudio se trabajó con
pulpa proveniente de café de la cosecha de
mitaca (primer semestre del año).
Las muestras de alcohol obtenido por
tratamiento, después de la deshidratación, se
caracterizaron por la técnica de cromatografía
de gases para identificar los compuestos
presentes en las mismas (Tabla 3).
De acuerdo con los contenidos de
etanol determinados por cromatografía
(Tabla 3), éstos variaron entre 83,91%
correspondiente al tratamiento hidrólisis
ácida y fermentación con levadura prensada
1 y 99,97% correspondiente al tratamiento
hidrólisis enzimática con celulasas y
fermentación con levadura seca 2.
Los mayores promedios de los contenidos
de etanol se alcanzaron para los tratamientos
con hidrólisis enzimática con celulasas
(97,78%), seguido de los tratamientos sin
hidrólisis (96,92%), los tratamientos con
hidrólisis enzimática utilizando celulasas
y pectinasas (95,76%), los tratamientos
con hidrólisis alcalina (95,59%) y aquellos
tratamientos con hidrólisis ácida (93,97%).
Los análisis cromatográficos mostraron
como principales compuestos asociados al
etanol, en orden de importancia, dietilacetal
del acetaldehído (dietoxietano), propanol,
isobutanol, butanol, pentanol, alcohol amílico,
alcohol isoamílico, ftalato de dietilo y
etilacetato, que en algunos casos alcanzaron
valores mayores al 1%.
El propanol, isobutanol, butanol, pentanol,
alcohol amílico y alcohol isoamílico, forman
parte del denominado aceite de fusel o
también llamado alcohol de fusel, por estar
formado por alcoholes con más de dos
átomos de carbono, su formación durante
la fermentación de los azúcares depende
del tipo de microorganismo utilizado en
la fermentación, la cantidad de nitrógeno
presente en el sustrato a fermentar, el pH,
la temperatura y el grado de agitación
durante la etapa de fermentación. Valores
de temperatura por encima del considerado
óptimo para el microorganismo utilizado
en la fermentación y valores de pH por
debajo del óptimo, favorecen la producción
de estos congéneres.
El butanol se produce por la fermentación
de azúcares por acción de microorganismos
como Clostridium acetobutylicum y Escherichia
coli, esta última se ha encontrado de forma
Cenicafé, 64(2):78-93. 2013
87
Tabla 3. Análisis cromatográfico del alcohol obtenido a partir de pulpa de café.
Etanol
Pulpa sin hidrólisis
Pulpa con hidrólisis ácida
Tipo de levadura
Tipo de levadura
Sc (P1) Sc (P2) Sc (S1) Sc (S2) Sc (P1) Sc (P2) Sc (S1) Sc (S2)
mg.L-1 alcohol anhidro
mg.L-1 alcohol anhidro
96,3000 96,4800 96,6100 98,3100 83,9100 97,9800 96,4200 97,5700
Propanol
0,5802
Isobutanol
Butanol
Compuesto
0,5615
0,3849
0,2636
0,6807
0,2589
0,4247
0,1988
1,1264
1,1116
0,5737
0,4728
1,2078
0,3720
0,7838
0,4195
0,6556
0,7197
-
0,3533
3,0028
-
-
-
Pentanol
0,3489
0,3522
0,3776
0,1252
2,1153
0,1021
-
0,3152
Alcohol amílico
0,1593
0,1504
0,1020
0,0562
0,4280
-
0,1310
0,1418
Ftalato de dietilo
0,2773
0,0938
0,0600
0,0393
-
0,0295
0,2908
0,1160
Dietilacetal
0,3845
0,3488
1,0529
0,3179
2,0356
0,2761
0,4620
0,2711
EtilAcetato
0,0731
0,0621
0,0147
-
-
0,1319
0,0673
0,1438
2-Metil-3-Buten-2-ol
-
-
0,0498
0,0201
-
-
-
-
Hexanal
-
-
-
-
1,1744
-
-
-
3-Furaldehído
-
-
-
-
1,0006
-
-
-
Dimetilacetal
-
-
-
-
-
0,0405
-
-
Dietoxihexano
-
-
-
-
-
0,0386
0,0180
0,0098
Alcohol isoamílico
-
-
-
-
-
-
0,3200
-
0,0947
0,1199
0,7744
0,0416
4,4448
0,7704
1,0824
0,8140
Otros congéneres
Pulpa con hidrólisis alcalina
Compuesto
Sc (P1)
Tipo de levadura
Sc (P2) Sc (S1) Sc (S2)
mg.L-1 alcohol anhidro
Pulpa con hidrólisis enzimática
(celulasas)
Tipo de levadura
Sc (P1) Sc (P2) Sc (S1) Sc (S2)
mg.L-1 alcohol anhidro
Etanol
97,6400 93,9900 95,2300 95,4900 96,4500 96,8500 97,8300 99,9690
Propanol
0,1091
0,2398
0,3229
0,3571
0,3020
0,5772
0,3302
0,0043
Isobutanol
0,2128
0,6772
0,8715
0,8527
0,4031
0,9007
0,4176
0,0042
Butanol
-
-
1,0293
0,1099
0,4501
0,3024
0,3834
0,0041
Pentanol
-
0,9080
0,9178
0,4499
0,1683
0,6347
0,2129
0,0004
Alcohol amílico
0,0341
0,2000
0,2439
0,2818
0,0493
0,2241
0,0678
0,0002
Nitroetanol
0,0683
0,0990
0,1241
-
-
-
-
-
Ftalato de dietilo
0,0331
0,0545
0,1146
0,0260
0,0907
0,0993
0,0588
0,0016
Dietilacetal
0,4350
2,1076
0,8350
0,4744
1,9459
0,3394
0,6168
0,0150
EtilAcetato
0,0274
0,0413
-
0,0576
0,0963
0,0391
0,0632
0,0011
Alcohol isoamílico
0,1491
-
-
-
-
-
-
-
Otros congéneres
1,2911
1,6826
0,3109
1,9006
0,0443
0,0331
0,0193
0,0001
Continúa...
88
Cenicafé, 64(2):78-93. 2013
...continuación
Compuesto
Pulpa con hidrólisis enzimática (celulasas+pectinasas)
Tipo de levadura
Sc (P1)
Sc (P2)
Sc (S1)
Sc (S2)
-1
mg.L alcohol anhidro
Etanol
93,5500
98,7300
92,8400
97,9300
Propanol
0,1689
0,2832
0,9930
0,3960
Isobutanol
0,3208
0,2572
1,2259
0,4817
Butanol
0,0142
0,3297
0,9229
0,4103
Pentanol
0,4339
0,0459
0,2653
0,0749
Alcohol amílico
0,1247
0,0188
0,0885
0,0367
Ftalato de dietilo
0,0226
0,0530
0,2877
0,1633
Dietilacetal
0,0987
0,2404
3,1637
0,4339
EtilAcetato
0,0027
0,0314
0,1164
0,0527
Otros congéneres
5,2635
0,0104
0,0966
0,0205
Nomenclatura. Sc: Saccharomyces cerevisiae. P: Levadura comercial prensada. S: Levadura comercial seca.
natural en la pulpa de café (6). El etilacetato
se forma por la acción de levaduras diferentes
a Saccharomyces cerevisiae, que forman parte
de los microorganismos presentes naturalmente
en la pulpa (Candida sp., Rhodotorula sp.,
Toruplosis sp.) (6), cuya acción se inhibe
cuando la concentración de etanol en el
fermentado es mayor al 5% (19).
Los derivados furánicos son compuestos
que presentan gran interés en la agricultura,
debido a que poseen un conjunto de propiedades
bioactivas que posibilitan su uso como
fungicidas y bactericidas. Los análisis
cromatográficos de los destilados obtenidos
permitieron detectar en valores menores al
0,1%: 2,3-Dihidrofurano en el tratamiento
3 (sin hidrólisis); 2-Furancarboxaldehído
en el tratamiento 14 (hidrólisis alcalina) y
3-Furaldehído en los tratamientos 14 (hidrólisis
alcalina), 16 y 17 (hidrólisis enzimática con
celulasas) y con un valor del 1% en el
tratamiento 7 (hidrólisis ácida).
La oxidación de alcoholes es uno de los
métodos más importantes para la obtención
de carbonilos (cetonas y aldehídos). Los
hemiacetales se forman por la reacción de un
equivalente de alcohol con el grupo carbonilo
de un aldehído o cetona, esta reacción se
cataliza con ácido y es equivalente a la
formación de hidratos. Los hemiacetales
reaccionan con un segundo equivalente de
alcohol para formar acetales, los cuales
pueden emplearse, por su estabilidad, como
grupos protectores del carbonilo.
El ftalato de dietilo es un líquido incoloro
e inodoro producido por reacción del anhídrido
ftálico con un alcohol apropiado (normalmente
alcoholes de entre 6 y 13 carbonos). El
anhídrido ftálico se obtiene por la reacción
del ácido ftálico con el anhídrido acético, que
se forma por la pirolisis del ácido acético,
uno de los productos más comunes de los
procesos fermentativos.
Valor experimental de producción de
alcohol a partir de la pulpa. Se encontró
un valor experimental promedio de 18,30
mL.kg-1 de pulpa fresca, para los tratamientos
sin hidrólisis. Si los contenidos de etanol
Cenicafé, 64(2):78-93. 2013
89
en la solución alcohólica se mantuvieran en
los rangos encontrados por cromatografía,
se obtendría un rendimiento de etanol de
17,74 mL.kg -1 de pulpa fresca. Rodríguez
(29), para tratamientos sin hidrólisis,
reporta un rendimiento de 25,15 mL.kg-1
de pulpa fresca.
Valor teórico de producción de alcohol
a partir de la pulpa de café. Rodríguez
(31) reporta un contenido medio de azúcares
fermentables, en peso seco, para la pulpa
de café fresca del 17,31% (n= 16; CV =
18,11%), así como valores de azúcares totales
del 18,49% (n= 16; CV = 16,69%) y un
valor de humedad de la pulpa del 77,42%
(n= 16; CV = 3,04%).
Al tener en cuenta las relaciones
estequiométricas de la fermentación alcohólica
de los carbohidratos (1 mol de hexosa genera
2 moles de etanol), a partir de 1 kg de
pulpa fresca se podrían obtener 25,2 mL de
etanol, si todos los azúcares fermentables se
transforman en etanol.
En la Tabla 4 se registran los rendimientos
que podrían esperarse si los subproductos
generados en el beneficio, por 1 millón de
sacos de café verde tipo exportación, se
utilizan para la producción de etanol.
Para los cálculos se utilizaron los factores
de conversión generados por Montilla (25),
para café sin seleccionar, a saber: 6,23 kg
de café cereza/kg café verde, 0,4358 kg de
pulpa fresca/kg de café cereza y 0,1485 kg
de mucílago fresco/kg de café cereza.
Considerando los rendimientos de etanol
obtenidos a partir de la pulpa de café en la
presente investigación y los reportados por
Rodríguez (29), puede concluirse que es
posible obtener entre 1.619.388 y 1.938.301
Gal de etanol de la pulpa y el mucílago
generados de la producción de 1 millón de
sacos de café verde.
Lo anterior es equivalente a obtener entre
1,64 y 1,96 L de etanol a partir de la pulpa
y el mucílago provenientes del beneficio de
100 kg de café cereza.
Cabrera et al. (8) reportan que “se pueden
obtener entre 2,0 a 2,5 g de etanol en 48 h,
cuando la fermentación se realiza a 28°C,
a partir de 200 g de cerezas frescas”, lo
que equivaldría a tener entre 1,26 y 1,58 L
de etanol/100 kg de café cereza.
Así mismo, Calle (9) reporta que de los
subproductos generados en el beneficio de
100 kg de café cereza pueden obtenerse 1,2
L de alcohol etílico de 85°, en promedio,
equivalentes a 1,02 L de etanol/100 kg de
cereza. De igual manera, Calle (15), después
de 210 destilaciones realizadas en 200 kg de
café, reportó un rendimiento industrial de 1
L de alcohol de 90° por 12,5 kg de cps, lo
cual equivaldría a tener 1,5 L de etanol/100
kg de café cereza.
Vinazas del proceso de destilación del alcohol
de pulpa. En la Tabla 5 se presentan los
resultados relacionados con la caracterización
de las vinazas (volumen, pH, Demanda
Química de Oxígeno y Sólidos Totales)
Tabla 4. Etanol de los subproductos generados en el beneficio por 1 millón de sacos de café verde.
Subproducto
Toneladas generadas Litros de etanol/tonelada
Pulpa fresca
162.900
17,74
Mucílago fresco
55.500
58,37 (29)
Galones de etanol/millón de sacos de café verde
90
Cenicafé, 64(2):78-93. 2013
Galones americanos etanol
763.500
855.888
1.619.388
Tabla 5. Caracterización de las vinazas obtenidas del proceso de destilación del fermentado pulpa - agua en
los tratamientos sin hidrólisis y con levaduras comerciales.
Parámetro
Promedio
D.E.
C.V. (%)
Datos
Relación Vinaza/vino
0,70
0,06
9,27
24
pH
4,57
0,71
15,58
24
obtenidas del proceso de destilación simple
de las diferentes muestras fermentadas de
pulpa-agua, para los tratamientos sin hidrólisis.
Las vinazas provenientes de la destilación
simple del fermentado pulpa - agua (relación
1:1,5) representaron el 70% del volumen
inicial de la muestra fermentada, con un
pH promedio de 4,57, un valor promedio
de sólidos totales de 25.925 ppm y un valor
promedio de DQO de 42.826 ppm.
Rodríguez (29), reporta que las vinazas
provenientes de la destilación simple del
fermentado pulpa - agua relación (1:1)
representaron el 50% del volumen inicial de
la muestra fermentada, con un pH promedio
de 4,41, un valor promedio de sólidos totales
de 69.886 ppm y un valor promedio de DQO
de 129.615 ppm.
La presente investigación permite concluir
que con la hidrólisis enzimática de la pulpa
de café, previa a la fermentación alcohólica,
se alcanzan los mayores rendimientos en la
producción de bioetanol. En el análisis de
varianza se encontró que la variable “tipo de
hidrólisis” tiene un efecto estadísticamente
significativo sobre la variable dependiente
“rendimiento de alcohol”, empleando celulasas
y pectinasas, respecto a las demás hidrólisis.
Para el tipo de levaduras empleadas no se
encontraron diferencias estadísticamente
significativas en los rendimientos de alcohol.
De igual manera, puede concluirse que
puede obtenerse 1 L de etanol a partir de
ST
25925
3410
13,15
24
DQO (ppm)
42826
8741
20,41
24
DQO/ST
1,65
0,22
13,59
24
56 kg de pulpa fresca, generándose 62 L
de vinazas, las cuales deben tratarse por
digestión anaerobia, con el fin de disminuir
el impacto ambiental que éstas ocasionarían
sobre los recursos naturales, generándose en
el proceso otro biocombustible aprovechable
como es el biogás.
AGRADECIMIENTOS
El autor expresa su agradecimiento a la
doctora Esther Cecilia Montoya de la
Disciplina de Biometría de Cenicafé, por
la asesoría estadística, a la practicante de
Ingeniería Agroindustrial Paula Andrea
Jaramillo Jiménez por su apoyo en la
ejecución de la investigación, al técnico Uriel
López y al auxiliar Samuel Castañeda, de la
Disciplina de Calidad y Manejo Ambiental
por el apoyo logístico. Así mismo, agradece
a la Federación Nacional de Cafeteros de
Colombia por el apoyo económico para la
realización de la investigación QIN0806
“Producción de alcohol carburante a partir
de subproductos del café”.
LITERATURA CITADA
1. ÁLVAREZ G., J. Despulpado de café sin agua. Chinchiná
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